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激光聚变研究取得重要进展

发布:yanjiaqi188阅读:327时间:2020-8-5 14:34:17

近期,国际学术期刊Nature Physics以封面文章发表了中物院激光聚变研究中心(LFRC)、北京应用物理与计算数学研究所(IAPCM)、国防科技大学、北京大学、深圳技术大学以及中国科学院上海光学精密机械研究所联合的激光聚变研究团队完成的国际首轮间接驱动高增益激光聚变快点火集成实验研究成果以“Enhanced energy coupling for indirect-drive fast-ignition fusion targets”为题发表在 Nature Physics 上,报道了他们在神光II升级装置上努力提高相对论电子束品质和能量沉积效率与中子产额方面取得的重要进展。张锋副研究员(LFRC)和蔡洪波研究员(IAPCM)为本文的共同第一作者,谷渝秋研究员(LFRC)和朱少平研究员(IAPCM)为本文共同通讯作者。

惯性约束聚变(ICF)是利用高功率激光等驱动源实现聚变点火进而获得较大能量增益的一种受控聚变实现方式,因其有望解决全球能源问题而备受瞩目。快点火研究作为实现高增益聚变点火的一种可能技术途径,其物理是ICF领域研究的热点之一。


图1. 间接驱动快点火方案示意图。将惯性约束聚变过程分为了两个过程:(a)内爆预压缩和(b)快速等容点火

不同于目前在美国国家点火装置(NIF)上采用的中心点火方式,快点火将实现热核聚变点火过程分为内爆预压缩和快速等容加热两个阶段。首先通过激光直接烧蚀(直接驱动)或者激光转换为X光(间接驱动,图1)对燃料进行预压缩;然后通过一束或多束皮秒激光产生相对论电子束作为能量载体,将预压缩燃料迅速加热至点火温度从而实现热核聚变点火。相比中心点火方式,快点火降低了对总激光能量的需求,同时理论上也可提供更高的能量增益。然而,近年来由于在靶丸预压缩状态控制和相对论电子束控制方面遇到困难,快点火研究进展较缓。

为了克服这些困难,该聚变研究团队在神光II升级装置上完成了国际首轮间接驱动快点火集成实验(图2),验证了间接驱动快点火设计方案的科学可行性。主要创新点如下:


图2. 神光II升级装置上间接驱动快点火实验装配图

一.采用整形脉冲技术得到high-foot脉冲时间波形以抑制内爆流体不稳定性,并精密控制激光加源卸载和内爆特征时间间隔将靶丸精密地压缩成梭状分布,以增加电子束方向物质面密度、提高相对论电子束的能量沉积。结果显示由电子束加热带来的聚变中子产额增加由44倍(low-foot)提升至280倍(hig-foot),显著提升了超热电子束的能量耦合效率。


图3. 神光II升级装置上间接驱动快点火聚变中子增益

二.利用神光II升级装置皮秒拍瓦激光精密注入双层锥靶对超热电子束导引(Phys. Rev. Lett. 102, 245001 (2009)),降低电子束发散角,使超热电子束更多的朝向高密度预压缩区域发射;结合预压缩成梭状的靶丸密度分布,借助这一压缩状态的自身磁场进一步对超热电子束流进行准直,增强电子束在高密度压缩燃料中的能量沉积。


图4.间接驱动快点火内爆压缩状态与集成模拟结果

三.采用间接驱动黒腔辐射方式,降低冕区非内爆中子的干扰。借鉴本团队前期在黒腔动理学的研究成果(Phys. Rev. Lett. 120, 195001 (2018)),在实验设计中采用间接驱动黑腔辐射方式降低了聚变靶丸冕区温度,进一步结合靶丸表面涂CH以及黑腔充气等手段,彻底排除了冕区非内爆中子对实验结果的影响,使中子诊断环境更加干净。

四.采用创新性的高时间精度时序诊断手段(Rev. Sci. Instrum. 90, 033504 (2019)),精密调控皮秒拍瓦激光加载时间,克服了纳秒激光束产生的软X射线和皮秒激光产生的硬X射线时空重叠的困难,实现了高时间精度时序测量。

五.综合理论研究团队完成了间接驱动快点火中涉及到的从黑腔能量学、辐射流体力学、动理学强流粒子束产生,混合流体-PIC电子能量输运及能量沉积等物理过程的模拟,结合实验中的预脉冲、中子产额以及逃逸超热电子谱诊断等结果对模拟程序进行约束,完成了综合集成实验结果的研究分析。结果显示,在实验中,皮秒激光束至靶丸的能量耦合效率达到了9.4%。在此基础上,对NIF尺度预压缩条件下间接驱动快点火达到点火需求的超短脉冲激光能量进行了外推,结果显示需要的激光能量为200kJ/10ps。

快点火集成实验结果表明:皮秒激光束至靶丸的能量耦合效率达到了9.4%,对预压缩靶丸由显著的加热作用,内爆中子产额增加了280倍。该研究成果对理解快点火物理有重要意义。神光II升级装置上间接驱动快点火实验的成果表明:过去直接驱动快点火所面临的一些困难可以在间接驱动中得到改善甚至解决,而间接驱动也是目前国际上超大型惯性约束聚变装置如美国NIF,我国神光系列装置等所采用的驱动方式,因此这些成果有望在这些超大型装置上得到应用。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41567-020-0878-9

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